Biochimica generale

Corso di biochimica generale

Prof. Francesco Bonomi

© Laila Pansera

Biochimica vs chimica

Dal punto di vista meccanicistico non c’è differenza tra le due. Le differenze riguardano:

• Aspetti chimici
• Aspetti fisici
• Aspetti termodinamici

Aspetti chimici

Selezione a livello atomico Gli elementi che entrano in gioco nella vita sono diversi da quelli utili nel pianeta. Fe, Al, Ni elementi più abbondanti nel pianeta;  C, H, N elementi fondamentali per la vita.  Selettività nell’utilizzo di atomi con simile reattività. I legami formati da questi atomi (quelli fondamentali per la vita) sono più facili da rompere e riformare.

Gli organismi viventi hanno meccanismi di selezione per decidere chi deve o non deve entrare nella cellula. Per esempio il calcio è molto presente nel corpo umano e poco nella cellula, il contrario avviene per il magnesio. Quando entra troppo calcio nella cellula, essa si contrae e si blocca.

Presenza di macromolecole informazionali (nelle cellule biologiche) È la capacità di trasferire un’informazione. Le molecole si organizzano secondo una sequenza, e poi vengono organizzate secondo livelli superiori che differenziano le varie funzioni. In altre parole i diversi livelli di organizzazione conferiscono a una struttura la sua funzione.

Aspetti fisici

Compartimentalizzazione Sia all’interno della cellula, sia tra le cellule, sia tra i sistemi. Essa comporta il punto successivo:

• Trasporto di materiali tra i comparti, cellule e tessuti
• Signaling

Esso è il trasporto di informazioni per via chimica od elettrica, tra comparti, cellule e tessuti, creando una rete di comunicazioni.

Aspetti termodinamici

Sistemi viventi lontano dall’equilibrio Un sistema all’equilibrio è termodinamicamente morto, ovvero non c’è produzione e consumo di energia. Considerando 2 vasi comunicanti:

Controllo cinetico delle concentrazioni di reagenti e prodotti Per esempio, il sifone è un catalizzatore che se attivato permette di raggiungere l’equilibrio.

In un sistema biologico aperto, le concentrazioni di ciascuna specie dipendono dalla velocità di reazione che le produce o le consuma. L’esito di una reazione è dovuto ad aspetti termodinamici e cinetici.

Interconversione L’energia informazionale è tutto quello che serve per trasformare una struttura disordinata in una molto ordinata. In assenza di energia informazionale non avremmo un prodotto ordinato.

L’acqua

L’acqua è la molecola più abbondante in un sistema biologico. Le sue funzioni sono 3:

• Reagente
• Solvente
• Agente strutturale

Un’importante caratteristica dell’acqua è che è fortemente asimmetrica, sia per la disposizione dei suoi atomi (che non sono allineati), sia per la disposizione degli elettroni. L’asimmetria è completata dal fatto che la presenza di cariche (positive in H e negative in O) conferisce polarità.

Ne deriva che l’acqua è un dipolo asimmetrico e da questo fatto si generano le interazioni con le altre molecole (si stabiliscono le proprietà colligative).

Legame a idrogeno

Le molecole di acqua si legano le une con le altre. Questo legame coinvolge un atomo elettronegativo e un protone (H). Non è un legame forte, quindi richiede e rilascia poca energia. I legami deboli hanno bassa energia e possono essere creati e distrutti con grande facilità. Per questo le specie che formano legami a idrogeno hanno una grande elasticità strutturale.

Questo condiziona le proprietà fisiche dell’acqua:

• H₂O: 0°C 100°C
• H₂S: -79°C -29°C

Il motivo è la differenza nell’elettronegatività: O è molto più elettronegativo di S, per cui nell’acqua i legami a idrogeno sono molto più forti rispetto a quelli in H₂S. Molto spesso i legami deboli si formano in modo “cooperativo”: la presenza di un legame favorisce la formazione del successivo, e così via.

In questo caso l’energia richiesta per la rottura dei legami aumenta considerevolmente (calore latente). Ad esempio, per far bollire l’acqua devo portare a 100° e poi fornire molto calore per rompere i legami a idrogeno.

L’acqua ha anche un elevato calore specifico, infatti devo scaldarla molto per far aumentare la sua temperatura. Se abbasso la temperatura dell’acqua a 4,1°C la porto alla temperatura di massima densità. Qui viene ottimizzato il reticolo di interazioni dei legami a idrogeno (non più possibile nel minor spazio possibile (determinazione delle caratteristiche geometriche con il cambio di fase)).

Il legame a idrogeno ha bisogno che gli atomi coinvolti siano perfettamente allineati (ogni molecola di H₂O forma al massimo 3 legami a H). Se aumento la temperatura le molecole si muovono e indeboliscono i legami H. Numerose molecole hanno la capacità di formare legami a idrogeno fra H₂O e le molecole stesse o all’interno delle molecole. Per esempio, gli alcoli fino a 4C si miscelano con la H₂O. La capacità di sciogliersi con l’acqua dipende dal fatto che prevalgono le interazioni fra le molecole o con l’acqua. Se prevalgono le interazioni fra le molecole allora la sostanza sarà insolubile, se invece prevalgono le interazioni con l’acqua, allora la sostanza sarà solubile. Ecco alcuni esempi: aldeide vs acetone. L’aldeide fa molti legami intramolecolari, perciò è meno solubile dell’acetone. A freddo gli zuccheri semplici, o mono-disaccaridi, sono solubili, mentre gli zuccheri complessi sono insolubili.

Proprietà solventi dell’acqua

Anche in questo caso una molecola è solubile se prevalgono le interazioni con l’acqua rispetto a quelle tra molecole o i suoi componenti (ioni). Un buon esempio è la molecola NaCl, la quale è formata da un reticolo regolare costituito da ioni Na⁺ e Cl^-. Se immergo uno ione solubile in H₂O si dispongono attorno ai cationi e agli anioni in modo diverso. Formano una sfera di solvatazione. Sono interazioni elettrostatiche.

Aumentando la distanza fra catione ed anione diminuisco l’intensità di attrazione. Uno ione coordina molta più acqua di qualunque altra specie chimica.

Le sfere di solvatazione determinano le caratteristiche biologiche dell’acqua. Non tutti i sali si sciolgono in acqua: ad esempio il cloruro di argento NO. Na è un atomo più piccolo rispetto a K, solo che in soluzione (solvato) è più grande. Di conseguenza non passa all’interno della cellula. Cosa fa dipendere la solvatazione: il rapporto massa-carica. Non tutte le molecole sono cariche, dipende dal pH.

Esempio: OH^- --COOH COO^- è uno ione negativo e trattiene molecole di acqua  H₂O può fare al massimo 4 legami a idrogeno (2 per ogni O) -COOH e –COO^- si trovano entrambi presenti in soluzione, solo che la prevalenza di una delle due specie dipende dal pH. Considero una generica specie A che per aggiunta di una proteina diventa AH. Esiste un equilibrio fra la specie protonata e quella non protonata e questo equilibrio è definito dai valori della costante di equilibrio k. Quindi:

• Se pH=pka non c’è uguaglianza nelle proporzioni esistenti tra A e AH;
• Se pH<pka prevale la specie protonata;
• Se pH>pka prevale le specie non protonata;

Tutto questo perché pH=pka+log ([A]/[AH]) oppure [A]/[AH]=10 (pH-pka) pka=logka R-COOH } pka=4,75 R-NH } pka= 9,82 R-COO } R-NH₃⁺ CH₂ – COOH CH₂ – COO^- CH₂ – COO^-

Il dianione è più facile da protonare perché i protoni sono attratti maggiormente dalla coppia carica piuttosto che dalla singola. H₃PO₄ acido fosforico OH /O=P - OH\ OH

H₃PO₄ __> H₂PO₄^- > HPO₄^2- > PO₄^3- più attraente per i protoni perché ricco di carica. Quale è la specie più comune nei sistemi biologici? Il pH nei sistemi biologici non è molto vario e ha un intervallo tra 4 e 9 (per esempio il pH del sangue equivale a 7,2, mentre il pH del latte equivale a 6,8). [Gli esseri umani preferiscono cibi acidi come difesa atavica, per cui se un cibo è basico è andato a male.] Se siamo a pH=7 le specie più abbondanti sono H₂PO₄^- > HPO₄^2- Se siamo a pH=6 [] = + [ℎ] In questo caso prevale la specie protonata ed è dieci volte più numerosa, quindi (H₂PO₄^- è 10, HPO₄^2- è 1. Se il pH=8 è il contrario.

Legame idrofobico

(il più importante per le trasformazioni alimentari) L’acqua ha la capacità strutturante nei confronti delle molecole. Questa capacità strutturante è dovuta ad interazioni dell’acqua con le molecole apolari. Se metto il benzene nell’acqua non si possono formare legami. Esempio: l’acqua forma attorno alla molecola una sorta di gabbia protettiva detta CLATRATO (acqua fa legami covalenti e a idrogeno).

La formazione di queste strutture organizzate da parte dell’acqua porta ad un aumento di ordine nel sistema (ovvero diminuzione della sua entropia). Tutto ciò è termodinamicamente svantaggioso. Aggiungo una seconda molecola di benzene e ho ottengo due possibilità:

• Formo un clatrato intorno;
• Impilo le due molecole e formo un clatrato unico;

Termodinamicamente è favorita la seconda possibilità perché il numero di molecole di acqua coinvolte è minore perché la superficie di contatto tra benzene e acqua è minimizzata.

Questa è la definizione di legame idrofobico: esso è un’interazione di tipo entropico che consente di minimizzare le interazioni sull’interfaccia tra un soluto immiscibile e l’acqua. Un esempio: il brodo contiene delle goccioline di grasso che, se metto il brodo in frigo creano uno strato superficiale idrofobico. Un altro esempio è il lavare i piatti (il grasso si incastra al piatto per legame idrofobico. Per questo lavoro mi occorrono acqua e sapone.

Il sapone

Il sapone è il sale di un acido grasso a lunga catena. I saponi sono anfifiliche, ossia in acqua formano micelle, in quanto la parte carica del sapone vuole interagire con l’acqua, mentre la parte non carica vuole interagire con i grassi. Nel lavaggio dei piatti uso acqua calda per far sciogliere il grasso in modo da renderlo più facile da rimuovere. La forza dell’uomo, azione meccanica, fa rompere il grasso in piccole parti. Il grasso si posiziona all’interno della micella e lì viene stabilizzato. Ora risciacquo il piatto pulito. Il sapone fa interagire ciò che non interagirebbe da solo.

Amminoacidi

Le proteine sono costituite da catene precise di amminoacidi.

Struttura di un generico amminoacido

• È un α-amminoacido perché la funzione acida è quella amminica. Insistono sullo stesso Cα, che è anche il primo della catena, perciò Cα;
• Sul Cα insistono quattro sostituenti: le due funzioni caratterizzanti, un H e una catena laterale;
• In base a come sono disposti i sostituenti ho due forme chirali: (Cα è un centro stereogenico)

Gli α-amminoacidi sono presenti nelle proteine, mentre i D-amminoacidi sono presenti solo in peptidi non sintetizzati sui ribosomi (antibiotici, alcuni ormoni, pareti batteriche). Gli amminoacidi sono ANFOTERICI, ossia il loro strato di carica dipende dal pH; possono assumere simultaneamente cariche positive e negative sulle due funzioni caratterizzanti.

Premessa [] = + [ℎ] []

• pH=pka [] []= → = 1 → 1 = 0 → = + 0 [] []
• [] []> → > 1 → 1 > 0 → = + [] quindi pk<pH e prevale la forma non protonata []
• [] []< → < 1 → 1 < 0 → = - [] quindi pka>pH e prevale la forma non protonata

Riassumendo: [] []= = [] []> > [] []< < La cosa si complica con gli amminoacidi: infatti hanno almeno due gruppi dissociati. In particolare:

• I carbossili hanno pk intorno a 2;
• I gruppi amminici hanno pk intorno a 9,2;
• Esiste un valore di pk riferito alla catena laterale;

f. protonata f. deprotonata

COOH COO^- NH₃⁺ NH₂

ESEMPIO: come cambia lo stato chimico dell’alanina al variare del pH.

• pH=0 carica +1 tutti i gruppi sono protonati
• pH=2 (pka1=2) carica +0,5 ho 50% con carica +1 e 50% con carica 0
• pH=9,2 (pka2=9,2) carica -0.5 ho 50% di 0 e 50% di -1
• pH=14 carica -1 è presente solo la specie deprotonata

Ci sarà solo un valore in cui l’amminoacido è privo di carica, in questo caso tra pH 2 e 9,2 (tra -0,5 e +0,5). Esso è il PUNTO ISOELETTRICO, ossia il valore di pH a cui un amminoacido è privo di carica. Nel caso di un amminoacido semplice il punto isoelettrico è la media aritmetica dei due valori dissociati (+0,5 e -0,5). Quindi:

Punto isoelettrico dell’alanina: 9,2+2 (a pH 5,6 l’alanina ha carica 0). = = 5,6/2

Quindi: forme zwitteroniche: amminoacidi isolati che erano contemporaneamente carica + e -, mantenendo la neutralità. Prevale la CARICA NEGATIVA > . . Prevale la CARICA POSITIVA < . .

Nelle proteine gli amminoacidi non possono protonare o deprotonare le loro funzioni caratteristiche, in quanto sono impegnate nel legame peptidico. Pertanto è la catena laterale R che determina le proprietà di un amminoacido nelle proteine.

Classificazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi si possono distinguere in:

• Neutri: indifferenti alla presenza di H₂O come l’Ala e la Gly;
  • Idrofilici come la Ser, Cys, Thr, Asn, Gln;
  • Idrofobici:
    • Alifatici come la Val, Fen, Ile, Met;
    • Aromatici come la Phe, Tyr, Trp;
• Carichi:
  • Negativamente (acidi) come la Asp, Glu;
  • Positivamente (basici) come la Lys, Arg, His;

Amminoacidi neutri sono indifferenti alla presenza di acqua.

GLICINA Gly: siccome ho perso 2 H ho perso il centro chirale. ALANINA Ala: protagonista del metabolismo dell’azoto del nostro organismo. PROLINA Pro: è un IMMINOACIDO perché il gruppo amminico non è libero. Conferisce maggiore digeribilità alle proteine.

Gli amminoacidi neutri idrofobici hanno catene laterali non in grado di reagire col solvente.

• Alifatici:
  • VALINA Val
  • ISOLEUCINA Ile
  • LEUCINA Leu
  • METIONINA Met
• Aromatici:
  • FENILALANINA Phe
  • TIROSINA Tyr
  • TRIPTOFANO Trp

Amminoacidi neutri idrofilici (leggermente più polari) SERINA Ser CISTEINA Cys TREONINA Thr ASPARAGINA Asp GLUTAMMINA Glu

Amminoacidi con catena laterale ionizzabile (carichi)

• Carichi positivamente, ossia basici:
  • Di tipo eterociclico. È un potentissimo chelante nei confronti dei metalli (li cattura). Ha pk≃6,5. ISTIDINA His
  • Ha pk≃10. È uno degli amminoacidi più scarsi nella dieta mediterranea. LISINA Lys
  • Ha pk≃12. ARGININA Arg
• Carichi negativamente, ossia acidi:
  • ACIDO ASPARTICO Asp
  • ACIDO GLUTAMMICO Glu

La cisteina può formare con un’altra cisteina un legame disolfuro: le due funzioni tioliche sulle catene laterali vanno incontro a reazione di ossidazione formando un legame covalente.

Scambio di disolfuri

Disulfide exchange: Trasforma un legame covalente intramolecolare (nella stessa proteina) in uno intermolecolare (in due proteine diverse). Ma non comporta una variazione del numero di –SH e –S-S-. (intercatena – intercatena). Questa reazione consente l’impasto (farina-acqua) e all’uovo di diventare sodo.

Diversi amminoacidi nelle proteine si trovano in forma modificata. Si tratta quasi sempre di modificazioni post-traduzionali, cioè che avvengono dopo che la proteina è stata sintetizzata. Molte di esse sono specie-specifiche o tessuto-specifiche, quindi hanno rilevanza anche per lo studio di patologia per determinare l’origine di materiali alimentari. Per esempio la IDROSSIPROLINA si trova solo nel collagene. Analizzando dei wurstel e trovando questa proteina capiamo che contengono anche tessuto connettivo e non solo carne. Esistono poi delle SPECIE BIOATTIVE, ovvero molecole che si formano da amminoacidi liberi, sia rimuovendo gruppi funzionali sia modificandone la struttura. Per esempio la TIROXINA è l’ormone prodotto dalla tiroide che regola il metabolismo basale.